通過(guò)調(diào)控堆垛層錯(cuò)能實(shí)現(xiàn)增材制造高熵合金的裂紋抑制和優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性協(xié)同
時(shí)間：2024-07-03 09:51 來(lái)源：AMLetters 作者：admin 閱讀：次
在開(kāi)發(fā)應(yīng)用于工業(yè)的金屬材料時(shí)，材料的強(qiáng)度-延展性權(quán)衡是持續(xù)存在的挑戰(zhàn)。多元高熵合金 (HEA)
的提出擴(kuò)大了開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械、物理和化學(xué)性能的新材料成分空間。然而，大多數(shù)HEA使用傳統(tǒng)的鑄造或鍛造工藝制造，嚴(yán)重限制了復(fù)雜形狀零件及其超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。增材制造
(AM)
在材料加工中獲得了顯著的突出地位，激光粉末床熔融(LPBF)AM技術(shù)在生產(chǎn)HEA零件時(shí)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)制造工藝壓倒性的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)在制造具有超細(xì)晶粒尺寸和高精度的復(fù)雜形狀HEA部件方面具有巨大的潛力。
由于LPBF過(guò)程中的非平衡凝固和熱循環(huán)，在微尺度應(yīng)力誘導(dǎo)開(kāi)裂方面面臨著重大挑戰(zhàn)。這些條件會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的熱梯度和冷卻速率，不可避免地會(huì)引起顯著的熱/殘余應(yīng)力并增強(qiáng)熱裂敏感性。因此，解決這些由熱應(yīng)力引起的有害影響對(duì)LPBF成形HEA 的廣泛應(yīng)用提出了重大挑戰(zhàn)。
現(xiàn)今已提出了各種方法來(lái)減輕LPBF成形部件內(nèi)熱循環(huán)引起的微裂紋：I）熱等靜壓使成形的金屬部件致密化并減少微裂紋和孔隙的出現(xiàn)。但不能完全消除表面裂紋，期間的高溫會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化，從而損害金屬部件的強(qiáng)度。II）優(yōu)化LPBF成形參數(shù)以減輕熱循環(huán)引起的應(yīng)力并最大限度地減少微尺度裂紋，但仍未取得令人滿意的結(jié)果。III) 修改某些合金的化學(xué)成分，以調(diào)整凝固路徑。例如，在LPBF成形NiCoCrFeAlTi HEA中添加高 (Al+Ti) 含量，通過(guò)減少臨界凝固和抑制極端熱循環(huán)期間金屬間化合物的形成，顯著增強(qiáng)了抗熱裂性。然而，該技術(shù)目前僅限于狹窄范圍的合金系統(tǒng)，因此，迫切需要更有效的方法來(lái)解決LPBF成形合金中應(yīng)力引起的開(kāi)裂問(wèn)題。
LPBF快速凝固過(guò)程中微裂紋的成核和擴(kuò)展可被視為熱應(yīng)力的能量耗散機(jī)制。在此背景下，中南大學(xué)李瑞迪教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新方法，通過(guò)調(diào)節(jié)堆垛層錯(cuò)能 (SFE) 來(lái)減輕熱循環(huán)引起的應(yīng)力并抑制LPBF加工過(guò)程中合金微裂紋的形成。在本研究中，選擇了具有代表性的等原子 FeCoCrNi HEA 作為基礎(chǔ)材料，其中摻雜了約 2.4 at.% 的Al來(lái)控制SFE值并驗(yàn)證了提出的方法。一方面，Al的重量輕且成本低廉，有利于有效改變各種合金系統(tǒng)中的SFE。另一方面，與 Fe、Co、Cr 和Ni原子相比，由于Al的原子半徑較大，添加Al會(huì)增加晶格摩擦并提高合金的強(qiáng)度。兩種合金的SFE值均通過(guò)透射電子顯微鏡 (TEM) 表征和密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算確定。與不含Al的HEA相比，在Al摻雜的HEA中觀察到微裂紋顯著減少。此外，降低成形HEA的SFE也提高了抗疲勞性。這項(xiàng)研究為通過(guò)激光增材制造工藝操縱SFE來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無(wú)裂紋金屬零件提供了寶貴的見(jiàn)解。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310160
由于LPBF過(guò)程中的非平衡凝固和熱循環(huán)，在微尺度應(yīng)力誘導(dǎo)開(kāi)裂方面面臨著重大挑戰(zhàn)。這些條件會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的熱梯度和冷卻速率，不可避免地會(huì)引起顯著的熱/殘余應(yīng)力并增強(qiáng)熱裂敏感性。因此，解決這些由熱應(yīng)力引起的有害影響對(duì)LPBF成形HEA 的廣泛應(yīng)用提出了重大挑戰(zhàn)。
現(xiàn)今已提出了各種方法來(lái)減輕LPBF成形部件內(nèi)熱循環(huán)引起的微裂紋：I）熱等靜壓使成形的金屬部件致密化并減少微裂紋和孔隙的出現(xiàn)。但不能完全消除表面裂紋，期間的高溫會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化，從而損害金屬部件的強(qiáng)度。II）優(yōu)化LPBF成形參數(shù)以減輕熱循環(huán)引起的應(yīng)力并最大限度地減少微尺度裂紋，但仍未取得令人滿意的結(jié)果。III) 修改某些合金的化學(xué)成分，以調(diào)整凝固路徑。例如，在LPBF成形NiCoCrFeAlTi HEA中添加高 (Al+Ti) 含量，通過(guò)減少臨界凝固和抑制極端熱循環(huán)期間金屬間化合物的形成，顯著增強(qiáng)了抗熱裂性。然而，該技術(shù)目前僅限于狹窄范圍的合金系統(tǒng)，因此，迫切需要更有效的方法來(lái)解決LPBF成形合金中應(yīng)力引起的開(kāi)裂問(wèn)題。
LPBF快速凝固過(guò)程中微裂紋的成核和擴(kuò)展可被視為熱應(yīng)力的能量耗散機(jī)制。在此背景下，中南大學(xué)李瑞迪教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新方法，通過(guò)調(diào)節(jié)堆垛層錯(cuò)能 (SFE) 來(lái)減輕熱循環(huán)引起的應(yīng)力并抑制LPBF加工過(guò)程中合金微裂紋的形成。在本研究中，選擇了具有代表性的等原子 FeCoCrNi HEA 作為基礎(chǔ)材料，其中摻雜了約 2.4 at.% 的Al來(lái)控制SFE值并驗(yàn)證了提出的方法。一方面，Al的重量輕且成本低廉，有利于有效改變各種合金系統(tǒng)中的SFE。另一方面，與 Fe、Co、Cr 和Ni原子相比，由于Al的原子半徑較大，添加Al會(huì)增加晶格摩擦并提高合金的強(qiáng)度。兩種合金的SFE值均通過(guò)透射電子顯微鏡 (TEM) 表征和密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算確定。與不含Al的HEA相比，在Al摻雜的HEA中觀察到微裂紋顯著減少。此外，降低成形HEA的SFE也提高了抗疲勞性。這項(xiàng)研究為通過(guò)激光增材制造工藝操縱SFE來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的無(wú)裂紋金屬零件提供了寶貴的見(jiàn)解。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310160
圖1. a) LPBF 成形 HEA 懸臂部件示意圖。b、c) 分別使用 X-CT和EBSD 在無(wú)Al
HEA 中產(chǎn)生的微裂紋缺陷；d) 使用三維方法測(cè)量成形的無(wú) Al HEA 懸臂部件的變形。e、f) 分別使用 X-CT 和 EBSD
表征具有低SFE（堆垛層錯(cuò)能）的無(wú)裂紋 Al0.1FeCoCrNi HEA。g) 摻雜Al的HEA懸臂部件變形結(jié)果。
圖2. LPBF 成形的無(wú)Al和摻雜Al的HEA 微觀結(jié)構(gòu)和SFE計(jì)算。a、b) 和
d、e) [110] 晶帶軸區(qū)域的明場(chǎng) (BF)-STEM 圖像分別顯示無(wú)Al和摻雜Al的HEA 的大量位錯(cuò)。c、f) 在 1.5%
的應(yīng)變下，無(wú)Al和摻雜Al的HEA 樣品中分離位錯(cuò)的弱束暗場(chǎng) (WBDF) 圖像。g) 圖 2c、f
中測(cè)量的分離位錯(cuò)的部分分離距離，以及對(duì)應(yīng)于不同值的理論堆垛層錯(cuò)能量曲線。h) 用于DFT計(jì)算的FeCoCrNi 和Al0.1CoCrFeNi
HEA的FCC超晶胞。i) FeCoCrNi 和 Al0.1CoCrFeNi HEA 沿 [112] 方向的基面GSFE 曲線。
圖3. LPBF成形的無(wú)Al和摻雜Al的HEA殘余應(yīng)力和原子應(yīng)變場(chǎng)分析。a) 通過(guò) X 射線衍射測(cè)量的等原子 FeCoCrNi 殘余應(yīng)力。b) 兩種 HEA 的表面殘余應(yīng)力。c,d) 微觀結(jié)構(gòu)特征圖分別說(shuō)明了 HEA 中微觀殘余應(yīng)力的減小。e,i) 從透射菊池衍射 (TKD) 得出的核平均取向差 (KAM) 圖，揭示了亞微米級(jí)應(yīng)變分布。f–h,j–l) 基于近 [110] 區(qū)域軸的 HR-HAADF 圖像以及相應(yīng)的水平法向應(yīng)變 εxx g,k) 和剪切應(yīng)變 εxy h,l) 圖。
(責(zé)任編輯：admin)
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